黃曉龍 , 徐曉莉 , 吳 薇 , 龍柯吉 , 王麗偉

（1. 高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610072；2. 四川省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心, 成都 610072；3. 四川省氣象臺(tái), 成都 610072；4. 吉林省氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心, 長(zhǎng)春 130062）

引言

地面氣象臺(tái)站是整個(gè)氣象觀測(cè)體系的基礎(chǔ)，為氣象預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)、應(yīng)用服務(wù)和科學(xué)研究提供數(shù)據(jù)支撐。然而臺(tái)站的觀測(cè)記錄受到儀器設(shè)備、周邊環(huán)境等多種因素影響[1-6]，地形是最為重要的影響因素之一[7-9]，特別是在地形復(fù)雜的山區(qū)，地形使得氣象要素空間分布不均，影響天氣現(xiàn)象的發(fā)生發(fā)展過(guò)程。因此，觀測(cè)臺(tái)站的地形信息是數(shù)據(jù)應(yīng)用不可或缺的元數(shù)據(jù)[10-11]。我國(guó)從2002年開始十分重視氣象臺(tái)站元數(shù)據(jù)信息的建設(shè)，頒布有氣象臺(tái)站歷史沿革數(shù)據(jù)規(guī)范[12-13]，但僅含臺(tái)站的海拔高度信息，而地形特征的相關(guān)數(shù)據(jù)極度缺乏，且部分氣象臺(tái)站的地形數(shù)據(jù)為估測(cè)，不能準(zhǔn)確地定量化表征臺(tái)站所處的地形信息。隨著自動(dòng)氣象觀測(cè)站建設(shè)的逐步加快，站網(wǎng)規(guī)模日益增大，特別是復(fù)雜地形氣象災(zāi)害頻發(fā)區(qū)，對(duì)觀測(cè)臺(tái)站地形信息的及時(shí)獲取提出了迫切需求。

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)通過(guò)有限的地形高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地形曲面的數(shù)字化模擬[14-15]，且精度越來(lái)越高，為任意位置地形特征的提取提供可能。過(guò)往研究主要集中在提取特定區(qū)域的地形特征和DEM尺度效應(yīng)對(duì)地形因子提取結(jié)果影響等方面。例如，薛凱凱等[16]采用5 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)提取黃土崾峴進(jìn)行研究，結(jié)果揭示了DEM數(shù)據(jù)對(duì)黃土高原溝壑區(qū)表達(dá)具有很好的適用性。郭佳等[17]、玉院和等[18]基于不同分辨率的DEM數(shù)據(jù)，探討了尺度效應(yīng)下的地形特征，研究發(fā)現(xiàn)不同水平分辨率的DEM對(duì)地形因子的提取結(jié)果有一定影響。許寶榮等[19]利用DEM數(shù)據(jù)提取黑河流域降水觀測(cè)臺(tái)站的地形起伏度，對(duì)臺(tái)站的區(qū)域代表性進(jìn)行研究，結(jié)果表明降水臺(tái)站的地形代表性取決于區(qū)域臺(tái)站數(shù)量及其空間分布，尤其是地形的復(fù)雜程度。

總的說(shuō)來(lái)，國(guó)內(nèi)利用DEM數(shù)據(jù)對(duì)氣象臺(tái)站地形特征提取的研究不多，尤其是四川這種地形復(fù)雜且天氣多變的地區(qū)，究竟觀測(cè)臺(tái)站所處的地形特征怎樣？為了研究這個(gè)問(wèn)題，本文以DEM為數(shù)據(jù)源，獲取四川省內(nèi)地面氣象觀測(cè)站的站點(diǎn)海拔高度，并利用觀測(cè)站點(diǎn)實(shí)測(cè)海拔高度對(duì)DEM數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提取觀測(cè)臺(tái)站的坡度、坡向、地形粗糙度等地形因子，按不同站網(wǎng)類別和地形特征進(jìn)行分析，以期為氣象站網(wǎng)布局優(yōu)化、資料分析和應(yīng)用提供必要的元數(shù)據(jù)信息。

1 研究區(qū)概況及地面氣象觀測(cè)站點(diǎn)分布

四川省地處青藏高原和長(zhǎng)江中下游平原的過(guò)渡帶，地勢(shì)由西北向東南呈梯狀下降。區(qū)域內(nèi)有平原、丘陵、山地和高原4種地貌類型。西部為高原和山地，海拔多在3000 m以上；東部以盆地和丘陵為主，海拔多為500~2000 m。圖1給出了四川地區(qū)海拔高度（圖1a）及不同站網(wǎng)（圖1b~d）分布，可以看出氣象觀測(cè)臺(tái)站盆地分布相對(duì)集中，而川西高原地區(qū)相對(duì)稀疏且分布不均。

圖1 四川地區(qū)海拔高度（a）和地面氣象站點(diǎn)（b. 國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站， c. 區(qū)域自動(dòng)氣象考核站，d. 區(qū)域自動(dòng)氣象非考核站）空間分布

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

地面氣象觀測(cè)站點(diǎn)的經(jīng)緯度信息、站點(diǎn)類型標(biāo)識(shí)及實(shí)測(cè)海拔高度均來(lái)自于四川省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心站網(wǎng)管理平臺(tái)（http://10.194.17.146/stationIndex）。DEM資料來(lái)自四川省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心，分辨率為90 m，地理坐標(biāo)為CGCS_2000，基準(zhǔn)面為D_2000。地面氣象觀測(cè)站按臺(tái)站級(jí)別，由156個(gè)國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站（下文簡(jiǎn)稱國(guó)家站）和5128個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站所組成，按站點(diǎn)的分布、環(huán)境特征和資料用途等進(jìn)行分類，包括2205個(gè)區(qū)域考核站和2923個(gè)區(qū)域非考核站。

2.2 研究方法

（1）臺(tái)站海拔精度評(píng)價(jià)方法

將DEM數(shù)據(jù)在ArcMap軟件中轉(zhuǎn)為DEM柵格圖層，根據(jù)地面氣象觀測(cè)站點(diǎn)所在的經(jīng)緯度，提取觀測(cè)站點(diǎn)所在DEM柵格的海拔高度，與氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)海拔高度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。采用相關(guān)系數(shù)(COR)、平均值誤差(BIAS)、平均絕對(duì)誤差(MAE)、平均絕對(duì)百分比誤差(MRE)和均方根誤差(RMSE) ，對(duì)提取的氣象站點(diǎn)海拔高度的精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。具體公式如下：

式中：Gi為 DEM數(shù)據(jù)提取的海拔高度；Oi為站點(diǎn)實(shí)測(cè)的海拔高度；n為觀測(cè)臺(tái)站數(shù)；COR越接近于 1，數(shù)據(jù)一致性越好；BIAS反映所提取的海拔高度與站點(diǎn)實(shí)測(cè)海拔高度在數(shù)值上的偏離程度，負(fù)值表明提取的海拔高度低估，反之則高估；MAE和RMSE越接近0，可以說(shuō)明提取的海拔高度數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確；MRE則反映提取的海拔高度與實(shí)測(cè)海拔高度的絕對(duì)差值相對(duì)于站點(diǎn)實(shí)測(cè)海拔的偏離程度。

（2）臺(tái)站地形因子及提取方法

按站網(wǎng)類別，分別提取國(guó)家站、區(qū)域考核和區(qū)域非考核站的4種地形特征因子，包括任意點(diǎn)的海拔高度，直接反映坡面形態(tài)因子的坡度、坡向和反映區(qū)域地形信息統(tǒng)計(jì)特征的地形粗糙度，所代表的地形特征如表1所示。

表1 地形因子特征

以所提取地形因子的目標(biāo)柵格為中心，依據(jù)劉軍等[20]給出的地形因子提取算法，在ArcMap軟件中，采用3×3半徑的矩形窗口分析方法，得到四川區(qū)域不同地形因子的柵格圖層，在此柵格圖層上，分別提取氣象臺(tái)站經(jīng)緯度所在的柵格值做為該站的地形特征數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果分析

3.1 DEM的臺(tái)站海拔高度精度檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證DEM數(shù)據(jù)在四川省的適用性，本文采用臺(tái)站實(shí)地測(cè)量的海拔高度，對(duì)DEM數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。3種站網(wǎng)類別的檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示，國(guó)家站、區(qū)域考核站和區(qū)域非考核站的相關(guān)系數(shù) (COR)均在0.988以上，平均值誤差(BIAS)均為正偏差，表明DEM數(shù)據(jù)提取的海拔高度高于臺(tái)站實(shí)測(cè)的海拔高度。3種站網(wǎng)類別的平均絕對(duì)誤差(MAE)在50 m以下，平均絕對(duì)百分比誤差(MRE)低于7%，均方根誤差(RMSE)低于150 m。國(guó)家站相對(duì)區(qū)域自動(dòng)站誤差更小，這可能與國(guó)家站的地理數(shù)據(jù)是由測(cè)繪部門實(shí)地測(cè)定更為精確有關(guān)。綜合上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果，說(shuō)明DEM數(shù)據(jù)提取的臺(tái)站海拔高度與實(shí)測(cè)站點(diǎn)的海拔高度具有較好的一致性，所采用的DEM數(shù)據(jù)能代表四川省的地形高度特征。

表2 精度檢驗(yàn)結(jié)果

3.2 臺(tái)站地形特征分析

通過(guò)臺(tái)站實(shí)測(cè)海拔高度驗(yàn)證DEM數(shù)據(jù)在四川省的適用性后，接下來(lái)本節(jié)將進(jìn)一步利用DEM數(shù)據(jù)提取觀測(cè)站點(diǎn)的海拔高度、坡度、坡向和地形粗糙度4類地形特征因子，分別對(duì)國(guó)家站、區(qū)域考核站和區(qū)域非考核站所處的地形特征進(jìn)行分析。

3.2.1 海拔高度

參照已有研究[21]給出的中國(guó)地貌劃分標(biāo)準(zhǔn)，將臺(tái)站按所處海拔高度劃分為低海拔、中海拔、亞高海拔和高海拔4級(jí)，國(guó)家站、區(qū)域考核站和非考核站在不同海拔高度級(jí)別下的臺(tái)站數(shù)和所占該類型臺(tái)站總數(shù)的比例如表3所示?？梢钥闯觯?種類型的站點(diǎn)均主要分布在<1000 m的低海拔地區(qū)，國(guó)家站在低海拔地區(qū)的臺(tái)站數(shù)占65.4%，與區(qū)域非考核站（64.3%）較為接近，而區(qū)域考核站最高為77.8%；在中海拔地區(qū)，臺(tái)站占比依次為區(qū)域非考核站、國(guó)家站和區(qū)域考核站；國(guó)家站在>2000 m的亞高海拔和高海拔地區(qū)占比均高于區(qū)域考核站和非考核站，而區(qū)域非考核站又明顯高于區(qū)域考核站。

表3 四川不同觀測(cè)站點(diǎn)類別的海拔高度

為了更直觀地研究3種站點(diǎn)類別在不同海拔高度的分布情況，本節(jié)進(jìn)一步分析了臺(tái)站海拔高度的空間分布及臺(tái)站密度隨海拔高度變化特征。圖2a、b和c分別為國(guó)家站、區(qū)域考核站和非考核站所處海拔高度的空間分布，可以看出3種站網(wǎng)類別的臺(tái)站在低海拔地區(qū)分布比較密集，與表3一致，但是國(guó)家站相比區(qū)域站分布更為均勻。圖2d、e和f分別為國(guó)家站、區(qū)域考核站和非考核站隨海拔高度的核密度估計(jì)(KDE)分布情況，可以看出：3種站網(wǎng)類別的臺(tái)站密度分布趨勢(shì)一致，在海拔高度為500 m左右達(dá)到峰值，說(shuō)明臺(tái)站在低海拔500 m左右的地區(qū)最為集中，然后隨著海拔高度的增加而逐漸降低，國(guó)家站降低幅度明顯小于區(qū)域考核和非考核站，進(jìn)一步體現(xiàn)了國(guó)家站相對(duì)區(qū)域站分布均勻；中海拔地區(qū)的臺(tái)站處在低海拔和亞高海拔、高海拔過(guò)渡帶，空間分布不明顯，但是KDE曲線的變化表明國(guó)家站要比區(qū)域站變化緩慢，即國(guó)家站分布更均勻；在亞高海拔和高海拔地區(qū)，國(guó)家站的臺(tái)站數(shù)明顯低于區(qū)域考核站和非考核站，但是國(guó)家站的KDE曲線變化相比區(qū)域站更平緩，尤其在2000~3000 m幾乎沒(méi)有變化，而區(qū)域站的KDE曲線陡降，同樣說(shuō)明國(guó)家站在該區(qū)域不僅占比高(表3)且分布均勻。綜上所述，國(guó)家站和區(qū)域站均主要分布在低海拔地區(qū)，在不同類別海拔高度的地區(qū)，國(guó)家站都比區(qū)域站分布均勻。

圖2 3類臺(tái)站（a、d. 國(guó)家站，b、e. 區(qū)域考核站，c、f. 區(qū)域非考核站）海拔高度空間分布（左）和臺(tái)站數(shù)隨海拔高度的核密度估計(jì)（右）

3.2.2 坡度

依據(jù)國(guó)際地理學(xué)聯(lián)合會(huì)與地貌制圖委員會(huì)制定的地貌坡地分類標(biāo)準(zhǔn)，觀測(cè)臺(tái)站在不同坡度類型的站數(shù)和所占臺(tái)站總數(shù)的比例如表4所示，可以看出：國(guó)家站、區(qū)域考核和非考核站均在斜坡地形上占比最高，分別占各站網(wǎng)類型臺(tái)站總數(shù)的27.6%、38.0%和36.5%；在平原地區(qū)，國(guó)家站占比遠(yuǎn)超過(guò)區(qū)域站達(dá)到了5.8%，區(qū)域考核站和非考核站占比十分接近；在微斜坡地形，國(guó)家站占比達(dá)到了1/4，區(qū)域考核站較非考核站占比高，但均比國(guó)家站低；在緩斜坡地形，國(guó)家站與區(qū)域考核站占比接近，均高于區(qū)域非考核站；而在陡坡地區(qū)，正好相反，即國(guó)家站與區(qū)域考核站占比接近，且均低于區(qū)域非考核站；在峭坡地形，國(guó)家站占比為2.6%，比區(qū)域站高；在垂直壁地形，無(wú)國(guó)家站，區(qū)域考核站有3個(gè)臺(tái)站，非考核臺(tái)站僅有1個(gè)臺(tái)站；由平原到斜坡地區(qū)，國(guó)家站占比達(dá)到了81.5%，區(qū)域考核站81.7%，國(guó)家站與區(qū)域考核站接近，區(qū)域非考核站占比76.7%，略低于國(guó)家站和區(qū)域考核站。綜上所述，大部分國(guó)家站和區(qū)域站均分布在坡度<15°的地形上。

表4 四川觀測(cè)站點(diǎn)在不同坡度級(jí)別的分布

接下來(lái)進(jìn)一步分析臺(tái)站密度隨坡度變化及臺(tái)站所處坡度的空間分布特征。由圖3a、b和c可以看出，國(guó)家站和區(qū)域站所處在平原、微斜坡、緩斜坡和斜坡的臺(tái)站比較密集，與表4一致。結(jié)合圖3d、e和f可知，3種類型站網(wǎng)的臺(tái)站密度隨坡度分布趨勢(shì)一致，在2°左右達(dá)到峰值，即說(shuō)明微斜坡地區(qū)臺(tái)站最為集中。3種站網(wǎng)類型的臺(tái)站在達(dá)到峰值后隨著坡度的增加而逐漸降低，國(guó)家站降低幅度明顯小于區(qū)域考核和非考核站，進(jìn)一步體現(xiàn)了在平原到斜坡地形國(guó)家站較區(qū)域站分布均勻。在陡坡和峭坡地形，區(qū)域站相比國(guó)家站分布的臺(tái)站數(shù)多，但較為零散。雖然國(guó)家站在峭坡較區(qū)域站占比高，但均集中分布在川西高原的阿壩州。在垂直壁地形的區(qū)域考核站有2個(gè)在大涼山地區(qū)，1個(gè)在川西的橫斷山脈，而區(qū)域非考核站僅有1個(gè)在大涼山地區(qū)。綜上所述，在平原到斜坡集中了大部分國(guó)家站和區(qū)域站，且國(guó)家站分布較區(qū)域站均勻。

圖3 3類臺(tái)站（a、d. 國(guó)家站，b、e. 區(qū)域考核站，c、f. 區(qū)域非考核站）所在坡度空間分布（左）和臺(tái)站數(shù)隨坡度的核密度估計(jì)（右）

3.2.3 坡向

坡向?qū)Ω鞣N地面氣象要素均有一定的影響[22-23]。將3種站網(wǎng)類型的臺(tái)站所處位置按平面(無(wú)坡向)、陽(yáng)坡(坡向向南，包括135°~225°)、陰坡(坡向向北，包括315°~45°)、西 坡(225°~315°)和 東 坡(45°~135°)分為5類，分析可知：國(guó)家站均具有坡向特征；區(qū)域考核站和非考核站分別有5個(gè)和4個(gè)臺(tái)站無(wú)坡向，說(shuō)明這些觀測(cè)站點(diǎn)周邊海拔高度無(wú)變化，即是臺(tái)站坡度值為0，地勢(shì)非常平坦，主要分布在成都平原及周邊、涼山州安寧河谷平原。各站網(wǎng)類別坡向臺(tái)站數(shù)和所占比例(圖4)可以看出：國(guó)家站所處西坡的臺(tái)站比例最高，占臺(tái)站總數(shù)的29.5%，東坡占比次之（26.9%），陰坡和陽(yáng)坡占比相對(duì)最低（均為21.8%）；區(qū)域考核站和非考核站在陰坡和東坡占比基本一致，在陽(yáng)坡的區(qū)域考核站占比（24.4%）高于區(qū)域非考核站（22.5%），而在西坡的區(qū)域考核站占比（27.6%）低于區(qū)域非考核站（29.4%）?？傮w上，國(guó)家站和區(qū)域站在各個(gè)坡向分布比較均勻。

圖4 國(guó)家站、區(qū)域考核站和非考核站在不同坡向類型的臺(tái)站數(shù)及占比

3.2.4 地形粗糙度

四川國(guó)家站、區(qū)域考核站和非考核站平均地形粗糙度分別為1.026°、1.024°和1.031°，區(qū)域考核站低于國(guó)家站和區(qū)域非考核站，3種站網(wǎng)類別的臺(tái)站所處地形粗糙度分布如圖5a所示，均介于1.0°~1.05°，其中國(guó)家站占比最大（87.8%），區(qū)域考核站次之（86.8%），區(qū)域非考核站最?。?1.9%），表明無(wú)論是國(guó)家站還是區(qū)域站所處地形環(huán)境相對(duì)平緩。由圖5b~d可知，這些臺(tái)站集中在低海拔的四川盆地、亞高海拔及高海拔的川西高山草原。另外，區(qū)域考核站地形粗糙度跨度最大（0°~1.87°），區(qū)域非考核站次之（0°~1.75°），國(guó)家站跨度最?。?.0°~1.41°）；國(guó)家站相比區(qū)域站所處的地勢(shì)更為平坦，這與國(guó)家站站址的遴選對(duì)周邊的地形特征要求更為嚴(yán)格有關(guān)。國(guó)家站和區(qū)域站所處地形越粗糙，坡度值一般也較大，地形起伏明顯，地形十分復(fù)雜。

圖5 不同地形粗糙度對(duì)應(yīng)的3類臺(tái)站數(shù)（a）及空間分布（b. 國(guó)家站，c. 區(qū)域考核站，d. 區(qū)域非考核站）

4 結(jié)論與討論

本文利用DEM數(shù)據(jù)獲取四川地區(qū)3種不同站網(wǎng)類別的地面氣象觀測(cè)站點(diǎn)所在位置的海拔高度，與臺(tái)站實(shí)測(cè)海拔高度進(jìn)行精度對(duì)比，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提取觀測(cè)站點(diǎn)的坡度、坡向和地形粗糙度地形因子，按不同地形特征進(jìn)行分類分析，得到如下結(jié)論：

(1)DEM提取的國(guó)家站、區(qū)域考核站和非考核站海拔高度與臺(tái)站實(shí)測(cè)海拔高度相關(guān)系數(shù)均在0.988以上，且平均絕對(duì)誤差在50 m以下，說(shuō)明該90 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)能較為精確地反映四川地區(qū)的海拔高度特征，可為提取地面氣象臺(tái)站的地形因子提供保證。

(2)3種站網(wǎng)類別的臺(tái)站都主要分布在<1000 m的低海拔地區(qū)，國(guó)家站占比為65.4%，與區(qū)域非考核站（64.3%）較為接近，而區(qū)域考核站最高為77.8%，在海拔高度500 m左右最密集，且國(guó)家站較區(qū)域站分布均勻。在亞高海拔和高海拔地區(qū)，國(guó)家站較區(qū)域站不僅占比高，還更均勻。

(3)3種站網(wǎng)類別的臺(tái)站所處坡度主要分布在0°~15°，國(guó)家站占比為81.5%，區(qū)域考核站為81.7%，區(qū)域非考核站為76.7%，即臺(tái)站主要分布在平原到斜坡地形，其中緩斜坡地形臺(tái)站最集中。在峭坡地形國(guó)家站較區(qū)域站占比高，且分布集中。在垂直壁地形區(qū)域站較少，無(wú)國(guó)家站。

(4)國(guó)家站和區(qū)域站在陽(yáng)坡、陰坡、東坡和西坡各坡向臺(tái)站分布比較一致。超過(guò)81%的臺(tái)站地形粗糙度在1.05°以內(nèi)，表明無(wú)論是國(guó)家站還是區(qū)域站所處地勢(shì)均相對(duì)平緩。不管是國(guó)家站還是區(qū)域站，臺(tái)站所在地形越粗糙，坡度值也越大，地形起伏明顯，地形較為復(fù)雜。

綜上所述，四川地面氣象臺(tái)站由于交通運(yùn)輸、人口及經(jīng)濟(jì)等多重因素，川西高原觀測(cè)站相對(duì)四川盆地稀疏且不均勻，臺(tái)站所處地形較為復(fù)雜，也給資料的使用帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。本文雖對(duì)不同站網(wǎng)類別的臺(tái)站地形特征進(jìn)行了詳盡分析，可為觀測(cè)資料的應(yīng)用和站網(wǎng)布局的優(yōu)化提供參考信息，但還缺乏站點(diǎn)地形對(duì)觀測(cè)資料影響的定量化評(píng)價(jià)，后續(xù)將結(jié)合天氣和氣候進(jìn)行進(jìn)一步分析。